54歲入行，97歲諾獎， “足夠好”“足夠老”的傳奇人生_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！06-27 09:57
2023年6月26日，美國物理學家、化學家、鋰離子電池發明者之一John Goodenough去世，還有一個月，他將年滿101週歲。2019年他獲得諾貝爾化學獎，成為當時最年長的獲獎者，因其姓氏，世界認識了這樣一位“足夠好”老爺子。他最著名的工作自然是鋰離子電池方面，而這是他54歲時才踏入的領域，數十年身體力行，年近百歲還身處科研一線。他也是一位重要的固體物理學家，在金屬氧化物、磁學、高温超導等領域作出傑出貢獻。謹以此文紀念Goodenough教授，此生已good enough。
撰文 | 劉辛味
——John B. Goodenough
每天早晨8點前，得克薩斯大學奧斯汀分校機械工程系的一間辦公室會迎來一位白髮蒼蒼，精神矍鑠的老人，他就是John B. Goodenough。這位科克雷爾百年講席教授97歲——剛剛刷新了諾獎最年長獲獎者的記錄，他與惠廷厄姆（M. Stanley Whittingham）、吉野彰（Akira Yoshino）因“發展了鋰離子電池”關鍵技術共同分享了2019諾貝爾化學獎。
如今，我們正在享受他們的成果——從手機、筆記本電腦到電動汽車，乃至清潔能源的存儲，這種功能強大、可充電的電池被已經廣泛運用各個領域。諾貝爾獎官方評價，“他們創造了一個可充電的世界”。
實際上，Goodenough是在年過半百之後才開始研究鋰電池，以97歲高齡獲得諾獎，可以説是“足夠老”了，但依然奮戰在科研一線——正是因為他覺得還不夠好。
他的傳奇人生仍在繼續。
“閲讀障礙”的少年進入耶魯
1922年夏天，Goodenough出生於德國耶拿。他的父親Erwin Goodenough當時正在牛津大學攻讀博士學位，他相信德國醫生剖腹產的技藝更高超，到臨產時，用牛車載着自己妻子來到了耶拿。第二年，Erwin Goodenough獲得了學位，回到美國，進入耶魯大學任教。小Goodenough的記憶便從康涅狄格州紐黑文市的郊外開始。
Goodenough從小就很喜歡大自然，捉蟲刨坑不在話下，但童年並不暢快，與他最親密的玩伴是一隻名叫Mack的狗。Goodenough也很喜歡學習，可是早先讀書對他來説比較困難——據稱他有未確診的閲讀障礙症，因此他説自己那時候是個“差生”。為了能追隨年長自己三歲的哥哥進入格羅頓中學（美國最頂尖的私立中學），他自學閲讀和寫作應付入學考試，最終真的順利入學，還獲得了獎學金。這讓他感嘆，“到現在我都覺得這是個迷！”
Goodenough認為，中學時代嚴格的教育讓自己受益匪淺，並最終考入耶魯大學。但相比於學習，他更愛運動，因為這樣能讓他保持良好的身材以及人際關係。
美國的精英往往有着優秀的原生家庭，Goodenough也不例外，他父親後來成為了美國著名的宗教研究學者，他的哥哥成為了著名的人類學家，讓Goodenough這一稀少的姓氏永遠記錄在了歷史中。但是他們的家庭生活並不和諧，Goodenough甚至用“災難”來形容他的父母婚姻關係。受限於宗教信仰，Goodenough的父母在他進入大學前才離婚，父親很快娶了自己的研究助手。進入大學後，Goodenough才感覺從這段糟糕的關係中解脱出來。
1940年，父親給了他35美元，並説，“去吧，孩子，上大學。”35元勉強可以算為學的零頭，Goodenough卻堅定的表示自己也不會再花家裏一分錢。在老校長的安排下，Goodenough利用業餘時間給家庭富裕的學生補課，Goodenough回憶説，“為了21頓飯，我每週工作21小時。”再加上獎學金，還有朋友們的幫助，Goodenough過上了一段不錯的日子。
進入大學後，Goodenough並沒有一個明確的學習目標。或許是受了文科家庭的影響，他也先學習了文科類課程，但Goodenough承認自己閲讀不行，“我不喜歡讀書，看不懂。”因此不想將來研究歷史，也不想學習法律，那時他覺得自己可以上醫學院，但對精神病學不感興趣，而對數學的興趣與日俱增。一位慧眼識珠的數學教授Egbert Miles看到了Goodenough的天賦，便鼓勵他學數學。
在耶魯，他還加入了神秘的精英組織“骷髏會”，這是耶魯大學歷史悠久的秘密社團組織，這裏誕生過多美國總統（一些陰謀論者甚至認為他們把控着美國權力社會）。這讓Goodenough的傳奇人生又添了一絲神秘。
不想當物理學家的氣象學者不是好士兵
1941年冬天，Goodenough大二時，珍珠港事件爆發。他的很多同學都準備入伍，Goodenough也不例外。Egbert Miles教授知道Goodenough的天賦，告訴他，“不要像所有人一樣為海軍陸戰隊服務。他們需要有一些有數學知識的人來進行氣象研究。”Goodenough並沒有被通知立即入伍，而是要完成學位。但那時候他只完成了數學系的一門課程。
僅用兩年半的時間，Goodenough從耶魯數學系畢業並獲得了學位，然後被徵召入伍派到陸軍氣象部門，駐紮在葡萄牙沿海的一個小島上。由於那個年代還未發現“噴射氣流”，飛機總是延誤。軍事部門希望Goodenough這些氣象研究者不僅能預測天氣，還能計算飛機航班時間，以及最佳的出行計劃。可能最值得一提的是，他為當時載着盟軍最高統帥艾森豪威爾的航班提供了正確的預計達到時間。當然，也因為沒考慮風向，飛機在到達終點前就沒油了。
戰爭結束後，儘管陸軍總部來信想讓Goodenough留在部隊繼續當氣象學家，但他還是選擇了繼續讀書——他想要學習物理。在他讀過數學家、哲學家懷特海（A.N. Whitehead）的著作《科學與現代世界》之後便意識到，科學對世界發展影響愈來愈強，他在自傳中寫道，“如果有機會，我應該去學物理”。
1946年，當一張派遣優秀軍官前往芝加哥大學學習研究的電報發來後，Goodenough來到了芝加哥大學物理系。這個機會來自他那位數學教授的推薦，他希望讓有學術前途的人能繼續讀研，而這也真正改變了Goodenough的一生。
來到芝加哥大學，Goodenough仍一字不落的記得當時登記員對他説的話，“我不懂你們這些老兵。你們難道不知道，凡是在物理學上做出過重大成就的，已經在你們這個年齡做過了。你想現在開始嗎？”講出這段略帶嘲諷的話的人是辛普森（John A. Simpson），那時他也才30歲，從曼哈頓計劃回來沒幾年，可能他不知道自己在未來能成為著名的實驗物理學家。而Goodenough才24歲，他承認，“理論物理的突破大多來自年輕人”，但後來他明白，物理需要實驗，而這一方面所需的物理直覺和突破需要厚積薄發。
那個年代進入芝加哥物理系的門檻極高。為了確保研究生能瞭解真正的學問，被譽為物理學史上最後一位理論和實驗全才的費米（Enrico Fermi）負責資格考試——每天8小時，考4天。Goodenough考了兩次，第一次讓他獲得了碩士學位，而第二次通過才能獲准繼續攻讀博士，這也讓他打下了牢靠的基礎。
到了選擇專業方向時，Goodenough發現費米秘密搗鼓的世界首座核反應堆並不適合自己，他希望學習固體物理，研究材料的性質，便找到了另一位天才物理學家齊納（Clarence Zener，後來因發明齊納二極管而聞名）。齊納決定Goodenough做自己的學生，並告訴了他兩個問題：“你的第一個問題是找到問題，第二個問題是解決這個問題。”Goodenough做到了這兩點，他研究了六方密堆積金屬晶體布里淵區邊界與費米麪的相互作用如何改變其結構。（在動量空間中，金屬的費米麪位置取決於導帶中電子密度，而布里淵區則由電子運動所處週期勢的平移對稱性確定。）
在一次學術會議上，他甚至得到了布里淵（Léon Brillouin）本人的指點，“年輕人，你弄錯了布里淵區”。但事實上是布里淵的物理圖象錯了，最終這項研究讓他在1952年獲得了博士學位。
為計算機開發內存
畢業後，Goodenough選擇到麻省理工學院林肯實驗室工作，主要進行固體磁性方面的研究。這間實驗室是由美國空軍支持下建立的，旨在建立美國第一個防空系統（後來的半自動防空系統，SAGE）。Goodenough回憶説，“這是一次奇妙的經歷……他們有雷達、有通訊系統，但沒有數字計算機。”實際上，當時世界首座商用計算機還在開發之中，也不具軍方所需的儲存能力，Goodenough就開始和工程師們一起開發了隨機存取儲存器中（RAM）的關鍵部件，即如今的電腦內存。
Goodenough所在的團隊需要找到合適的磁性材料作為存儲元件，解決實現方形磁滯回線的問題。當這項工作完成時，Goodenough的同事們有一半都離開了實驗室而進入產業界，他們看到了這樣研究的巨大潛力。而他在林肯實驗室一直工作了24年，在這裏研究了過渡金屬氧化物，為計算器存儲設備發展了各種磁性材料，真正涉及了化學和材料科學的研究。這段時間裏Goodenough以一名物理學家的身份探索着物質結構的奧秘，提出了磁性相關的理論，特別在RAM研發時發展了氧化物材料協同軌道排序概念（Jahn-Teller效應），而隨後得到的Goodeough-Kanamori半經驗規則成為了後來固態物理和化學裏研究的里程碑，為磁性材料的設計和計算機研發奠定了基礎。他還深入研究了金屬和硫化物原子磁矩、電子行為等課題，甚至在70年代就偶然從電子行為發現了高温超導的關鍵機制。他寫下的專著《磁性與化學鍵》，被後來研究磁性金屬的學生認為是“聖經”。
事實上，Goodenough也更喜歡自己在物理學上的研究，以至於連獲得諾獎時，他以為自己是關於莫特躍遷的研究，“我認為這一過程的物理研究非常重要，我非常滿意。”當然，他沒因為這樣研究無緣諾獎而失望，畢竟這只是他研究生涯早期的一小部分。
54歲開始新的研究生涯
60年代時，污染席捲美國，為了減少污染，汽車公司便已經開始考慮讓電動汽車重回市場。事實上，汽車誕生的早期，電池發動比內燃機更早，但電池性能發展緩慢逐步被淘汰了。
Goodenough受邀作為福特公司的科學家，評估一種新型鈉硫電池——1969年，Goodenough首次接觸電化學和電池的研究，他開始在離子導電率和能量存儲方面下了功夫。
最初，這項工作取得了不錯的成果，但仍因為安全問題，電池不適宜在汽車上使用，被福特公司取消了項目。可項目仍帶來了諸多好處——為當時的科學家提供了更富的知識，點燃了政府對能源科學的興趣。尤其到了1973年第一次石油危機，美國遭受石油禁運，各大汽車公司開始生產電動汽車，政府的資金也開始投入到能源相關領域。Goodenough在自傳中寫道，“我們對外國石油的依賴使國家變得脆弱，與受到俄羅斯的核彈威脅一樣。” Goodenough瞄準能源領域，準備大幹一場。
然而，由於林肯實驗室受空軍資助，能源相關研究並不是空軍的責任，沒了經費，Goodenough知道自己該離開了。恰好這時，牛津大學需要一位教授管理無機化學實驗室，他在接受採訪時説“牛津的人很有想象力，邀請一位有物理學背景的非學術界人士成為實驗室的負責人。”Goodenough只在研究生時學過兩門化學課，他是最合適的人選。
其實，當時Goodenough還有另一選擇，就是前往伊朗德蘭黑大學。這個選項完全被他的妻子否定了，因為那時伊朗正在鬧革命。
前往牛津的決定得到了妻子的支持，Goodenough説，“這對我來説是革命性的，因為從這時起我將正式成為一名學者，而且是成為一位化學家。”那一年，Goodenough已經54歲，他還不知道自己將會在電池領域大放光彩。
鋰電池的誕生
就在同一年，在埃克森美孚公司的惠廷厄姆在《自然》發表了一篇使用鋰陽極和二硫化鈦陰極的電池，電池的能量密度很高，並且他製作了可讓離子穿梭的分層材料，這意味着這種電池可以充電。這篇論文讓威廷漢與Goodenough一起分享了諾獎。
然而，鋰本身就是一種極為活躍的元素，甚至與氮氣都能發生反應，這就對電池的生產製造工藝提出了很高的要求。另一方面，隨着充放電，鋰金屬表明會長出枝晶，就像小“毛刺”，接觸到負極就造成了電池短路，發生自燃、爆炸甚至炸燬了實驗室。出於安全考慮，埃克森美孚放棄了這個項目。
Goodenough卻認為這項研究大有前途，物理直覺告訴他金屬氧化物比硫化物更適合製作電池的陰極，因為金屬氧化物能產生更高的電勢，即便他還沒想到他的發現有巨大“潛能”（potential）。
1980年，57歲的Goodenough領導團隊發現使用鈷酸鋰（LiCoO2）幾乎能使電力翻倍，輸出4V的電壓。鈷酸鋰是一種層狀材料，鋰原子位於氧原子和鈷原子組成的八面體結構之間，可謂來去自如，而這一性質正是電池所需的，並且鈷酸鋰相對於金屬鋰更温和，枝晶問題也得到了改善。這樣發現被諾貝爾獎官方評價為“邁向‘無線革命’決定性的一步”。
然而，Goodenough的發明並沒有得到西方世界重視，甚至連牛津大學自己都不願意申請專利。部分原因在於，石油危機後對替代能源的研究熱度下降，再加上埃森克美孚的慘痛教訓，導致Goodenough的新發現無人問津，還是他自己找另一個政府實驗室勉強申請了專利。反而日本人看到了這塊市場，80年代日本的電子產品走向了世界，正急缺輕型、可充電電池。
日本化學家吉野彰以Goodenough的工作為基礎，用鋰鈷氧化物作為陰極，開始研究陽極材料。他發現鋰離子可以被吸引到石油焦中，這種炭基材料幫助電子和離子更快的流向陰極，而且由於陰極中本身就含有鋰離子，陽極使用石油焦，可以取代純鋰，能讓電池更安全。最終靠着吉野彰的成果研發了具有高容量，安全性俱佳的鋰電池——“鋰離子電池”真正誕生了。
1991年，索尼將鋰離子電池首次商業化，鋰離子電池成為今天我們每個人的手機的必須配件，徹底改變了我們的生活。只不過Goodenough並沒從這項價值數十億美元的產業（當時價值）中賺到一分錢，他當時簽下到專利是被特許使用的。
鋰電池第二次革命引發“世界大戰”
Goodenough並沒停止研究高效可充電電池的腳步。當時牛津大學規定，教授年滿65歲要退休，Goodenough覺得還為時尚早。就像他父親從耶魯退休後到哈佛圖書館找了間辦公室，1986年，Goodenough回到了美國，來到得克薩斯州奧斯汀分校機械工程系。這一來又開啓一個長達30多年工作。
在德州，實用主義者Goodenough在尋找新的電極材料的同時，將一部分精力再次轉移了基礎研究上，繼續從事過渡金屬氧化物的電子性質的研究，並進行了了超導相關實驗。他覺得這些研究將帶來真正的創新。而他的學生們繼續尋找新型電極材料，因為鈷酸鋰電池並不完美。雖然性能優良，但也存在壽命短的問題，而且鈷作為一種戰略元素，成本極高。為了解決這些問題，當時還在牛津的Goodenough就已經開始領團隊尋找新材料。
Goodenough的物理直覺再次告訴他具有尖晶石晶體結構的材料可能會更合適，因為這類結構可以讓鋰離子在三維空間中擴散，提高效率。結果，他的博士後不僅發明了錳基尖晶石結構的陰極，安全性更好且成本更低，而且還在繼續推進的過程中偶然發現了另外一種結構，橄欖石晶體結構，用最常見的鐵和磷構成磷酸鐵鋰（LiFePO4）。1997年，他們研發了具有商業潛力的磷酸鐵鋰電池，再次引發了鋰電領域的風暴——真正意義上的“風暴”。
今天，磷酸鐵鋰電池廣泛運用與儲能設備、電動汽車和各種小型設備中。然而，Goodenough依然沒有從中獲利，還捲入了一場專利糾紛之中！
當Goodenough發現磷酸鐵鋰將再次引發能源革命時，想申請專利，結果發現已經被搶先了。原來，他手下的一名日本“打工仔”將研究泄露了出去，他本來就是日本電信電話公司（NTT）的僱員，藉着向Goodenough團隊學習的名義來到了團隊，他並沒有遵從保密的協議。在專利糾紛中，最先製成新材料的人成為了關鍵人物，他就是當時的一名博士後帕迪（Akshaya Padhi），他卻拒絕了幫助Goodenough證明。兩人“狼狽為奸”把研究內容透露給了NTT公司，賺了大錢。
在專利糾紛中，Goodenough只能無奈的表示自己身邊被安插了間諜。由於對電池的一點改進都會牽扯到專利中，多家商業巨頭都被攪了進來，讓這場專利戰爭愈演愈烈，堪稱鋰電的世界大戰。Goodenough沉默在浪潮中，直到德州大學奧斯汀分校與NTT公司和解。
不想退休等死
幸好，今天人們把發現磷酸鐵鋰的功勞歸功於Goodenough，這項他75歲時做出的成就，徹底改變了電池世界的格局。
一般人到這裏，或許就該知足了，可是Goodenough覺得過去的工作還“不夠好”。目前學界認為，鋰離子電池發展已經接近極限，Goodenough還想尋找更好的電池。90歲時，他把目光放在了全固態電池上——使用固態電解質的電池，具有安全性能更好，能量密度更高，體積更小的優勢。電池領域羣雄逐鹿，這是Goodenough的選擇。目前，Goodenough已經有了一些成果，即使受到一些爭議，可他完全沒停下來的意思。
Goodenough知道自己並不是唯一有實力解決電池問題的人，也不確定自己能否成功，但是“我不想退休等死，我相信我們正在努力的事情非常重要。“5年前，還他説自己只有92歲，還有時間，希望解決更長遠的能源問題，他説：“我們必須在不久的將來從對化石燃料的依賴過渡到對清潔能源的依賴。”“所以這就是我去世之前要做的事情，留下一個更清潔，更美好的世界。”為了達成這一遠大目標，他決定在102歲時再退休。
回顧自己的研究經歷，Goodenough説，“科學研究通常是跨學科的，物理學、化學和工程學通常是相互涉及的，這為我提供了真正朝材料科學和工程方向發展的機會。”他認為自己是，“受過固體物理學培訓的材料科學家，與化學家和陶藝家（研究電池事用到了陶瓷材料）一起合作，在物理、化學和材料工程之間架起了一座橋樑。”
生活中，Goodenough是個開朗的人，“哈-哈-哈”，誇張的笑聲常常回蕩在辦公樓的走廊裏。直到2018年骨折前，他還每天開車40分鐘上班，保持着每週近50小時的工作時間。除了科研，為數不多的愛好就是爬山，年輕時他與妻子懷斯曼（Ireen Wiseman）走過了走過不少地方，他們兩人在芝加哥大學相識，共度一生，沒有孩子，Goodenough説，“我們擁有彼此”。
在Goodenough的辦公室中，掛着一張巨大的壁毯《最後的晚餐》。令人意想不到的，他一生從事科學，卻是一名虔誠的基督徒，信仰並未阻礙他的研究，反而成為了一種內在的動力和熱愛。
很長時間以來，Goodenough是一名諾獎陪跑者，他卻説，“我才九十多歲，還有時間”。現在，榮譽終於降臨，足夠好！
參考資料
[1] Goodenough, John B. (2008). Witness to Grace.
[2] Yoshino A. The birth of the lithium‐ion battery[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2012, 51(24): 5798-5800.
[3] Scientific Background on the Nobel Prize in Chemistry 2019 Lithium-ion Batteries
[4] 圓的方塊. Goodenough：讓不夠好的世界足夠好
[5] https://cen.acs.org/people/profiles/Podcast-97-lithium-ion-battery/97/i35
[6] https://www.chemistryworld.com/features/goodenough-rules/8099.article
[7] https://qz.com/338767/the-man-who-brought-us-the-lithium-ion-battery-at-57-has-an-idea-for-a-new-one-at-92/
[8] https://mag.uchicago.edu/science-medicine/his-current-quest
https://news.uchicago.edu/story/john-b-goodenough-shares-nobel-prize-invention-lithium-ion-battery
[9] https://www.nature.com/articles/d41586-019-03079-1
[10] https://www.aarp.org/home-family/personal-technology/info-2019/nobel-prize-john-goodenough.html
[11] https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2019/goodenough/interview/
[12] https://alcalde.texasexes.org/2015/07/the-inventor/
[13] https://www.datacenterdynamics.com/analysis/restless-inventor/
[14] https://www.eternitynews.com.au/world/winners-of-this-years-nobel-prizes-follow-jesus/
[15] http://bbs.creaders.net/life/bbsviewer.php?trd_id=1433358&blog_id=358163
[16] https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2019/goodenough/biographical/
本文原發於《北京科技報》（科技生活）2019年11期，經作者修訂發表於《返樸》。
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